專利名稱：研磨墊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種研磨墊，更特別地涉及一種適合于化學(xué)機(jī)械研磨(CPC)的研磨墊，該研磨墊能夠?qū)群捅砻婀饣纫筝^高的構(gòu)件進(jìn)行研磨，例如半導(dǎo)體晶片。
上述的ULSI多級(jí)互連最重要的因素是確保光刻技術(shù)的焦點(diǎn)深度(DOF)，通過(guò)光刻技術(shù)，晶片通過(guò)層間介電質(zhì)和金屬布線的金屬布線圖案被曝光。換句話說(shuō)，要求在粗糙表面的突起和凹槽的高度差小于圖案曝光的焦點(diǎn)深度。為此，必須進(jìn)行高精度的平整。在形成多級(jí)互連的過(guò)程中，當(dāng)層間介電質(zhì)或金屬布線的突起和凹槽之間有一確定或更大的高度差時(shí)，要進(jìn)行充分的調(diào)焦或形成精密的布線結(jié)構(gòu)就不可能了。
高精度的平整很難通過(guò)常規(guī)的SOG法(在玻璃上旋轉(zhuǎn))或蝕刻來(lái)達(dá)到。作為這些方法的替代方法，通常使用超精度的研磨法，例如CMP法(化學(xué)機(jī)械研磨)。通過(guò)CMP法，使用一種研磨劑(該研磨劑通常被稱做“漿料”，下文中將被使用)和一種彈性研磨材料(下文稱“研磨墊”)來(lái)對(duì)被平整的物體如半導(dǎo)體晶片的表面進(jìn)行平整，該研磨劑含有微粒材料，例如硅石和氧化鋁，這些微粒材料被混合并分散到堿性或酸性的化學(xué)腐蝕性的水溶液的混合物中。
使用無(wú)紡纖維或聚氨酯等彈性泡沫作為上述的研磨墊。在這些材料中特別優(yōu)選的是發(fā)泡聚氨酯，該發(fā)泡聚氨酯在研磨期間不掉毛，且有能夠保持漿料的表面氣泡結(jié)構(gòu)。這種表面包泡結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)可受到控制。聚氨酯泡沫制成的研磨墊迄今已經(jīng)被生產(chǎn)，生產(chǎn)過(guò)程包括在按照預(yù)定的物理性質(zhì)，如硬度和彈性設(shè)定的材料和成型條件下，通過(guò)化學(xué)發(fā)泡方法，制備大塊聚氨酯泡沫(下文稱做“塊”)，再將塊切成具有預(yù)定厚度的片狀物，然后將片狀物沖孔，使成為適合研磨的形狀，如盤(pán)狀。
然而，通過(guò)化學(xué)發(fā)泡方法產(chǎn)生的研磨墊有不利因素，因?yàn)樵趦?nèi)部形成的、對(duì)控制著最終產(chǎn)品平整度的漿料的保持度有很大影響的氣室的大小和分散不能被充分控制而因此變得不均一，使進(jìn)行足夠獲得充分平整度的精確研磨變的困難。
聚氨酯塊以一種單獨(dú)的切割步驟被切成片狀物，獲得片狀產(chǎn)品，這種產(chǎn)品是生產(chǎn)具有預(yù)定厚度的研磨墊的基礎(chǔ)。因此最終的研磨墊產(chǎn)品的表面平整度取決于切割步驟的精度。然而，因?yàn)檫@種精度并不足夠高，所以被平整的物體的平整精度在選擇研磨墊材料的階段就已經(jīng)決定了。眾所周知，當(dāng)聚合物材料，例如聚氨酯泡沫被切削或切割時(shí)，聚合物材料的粘彈性通常會(huì)引起刀片切邊的移位，即，在切割段的所謂退刀，使精度控制在不大于10μm變的很困難。
另一方面，作為CMP法中改進(jìn)平整化的一種方法，可采用改善研磨條件(較低的壓力和高的相對(duì)速度的研磨)或增強(qiáng)研磨墊的硬度的方法。然而，由于物理性質(zhì)的變化，即研磨過(guò)程中研磨墊的粘彈性的改變，因而前一種方法很難實(shí)現(xiàn)。后一種方式也有缺陷因?yàn)樵鰪?qiáng)預(yù)定的硬度是很難實(shí)現(xiàn)的。因此，可以理解，當(dāng)因此而獲得的硬度太高時(shí)，被研磨物體的表面會(huì)被研磨墊擦傷(損壞)。增強(qiáng)硬度某種程度上也可以通過(guò)增強(qiáng)密度實(shí)現(xiàn)。然而，考慮到漿料在研磨墊表面的保持性(晶片表面內(nèi)漿料供給量的保持能力常數(shù))，不能形成微細(xì)氣室的制備方法，如普通的化學(xué)發(fā)泡方法和物理發(fā)泡方法，在與密度的增強(qiáng)成比例的氣室的分布中遇到困難，從而不可能獲得均勻的氣室分布。此外，作為上述研磨條件的改善方法之一，最近有人建議使用線性研磨型研磨墊，該研磨墊有很長(zhǎng)的周長(zhǎng)。然而，這種方法要求進(jìn)行大規(guī)模的設(shè)備(如新的研磨機(jī))投資，因此，盡管可能是解決這些問(wèn)題的一種基本方法，但是，不容易被引用。
對(duì)于特別被應(yīng)用于稱為淺溝槽隔離(STI)的CMP，有人建議用高硬度墊來(lái)進(jìn)行低壓和相對(duì)高速的研磨作為一種方法，用來(lái)減少對(duì)隔離圖案的依賴。然而這種方法有不利因素如果應(yīng)用聚氨酯泡沫制成的研磨墊，由于在研磨期間與被研磨物體的表面的摩擦而產(chǎn)生表面溫度的瞬間升高。結(jié)果，研磨墊表面的粘彈性發(fā)生改變，致使研磨速率，即單位時(shí)間的研磨量不穩(wěn)定。
為了克服上述問(wèn)題和達(dá)到預(yù)定目的，根據(jù)本發(fā)明的研磨墊含有以聚氨酯基泡沫，通過(guò)某一過(guò)程使該泡沫具有期望的形狀，該過(guò)程包括將作為主要原材料的聚氨酯或聚脲和各種輔助原材料一起混合，在壓力條件下將惰性氣體溶解在混合物中以獲得溶解有氣體的原材料，然后將溶解有氣體的原材料注射到模型中，通過(guò)反應(yīng)注模法成型，其中聚氨酯基泡沫具有通過(guò)在注塑模型中反應(yīng)所得到的微細(xì)和均一的氣室，適合半導(dǎo)體材料等的研磨。
圖2是顯示使用配有用于研磨終點(diǎn)檢測(cè)的窗口的研磨墊如何影響研磨的示意圖。
圖3是顯示通過(guò)反應(yīng)注模法生產(chǎn)聚氨酯基泡沫的反應(yīng)注模裝置的一個(gè)例子的示意圖。
圖4是顯示研磨墊的研磨面的放大平面圖；圖5A，5B，5C和5D每一個(gè)是顯示研磨墊的體積密度對(duì)研磨特性的影響的示意圖，其中圖5A和圖5B指示了高體積密度的影響，圖5C和圖5D指示了低體積密度的影響。
參考數(shù)字和記號(hào)的說(shuō)明12聚氨酯基泡沫20氣室58反應(yīng)注射模型如

圖1所示，該實(shí)施方案的研磨墊10是以圓形片狀的形式存在，基本上含有構(gòu)成研磨面10a的聚氨酯基泡沫12和緩沖墊14，緩沖墊14整體層壓在泡沫12一側(cè)的幾乎整個(gè)表面上。研磨墊10在其一部分上配有一個(gè)窗口16，用來(lái)進(jìn)行研磨的終點(diǎn)檢測(cè)，窗口16具有透明性且沿著墊10的厚度方向上整個(gè)長(zhǎng)度延伸，通過(guò)這個(gè)窗口，被平整物體的研磨表面的狀況在使用該墊期間始終可以確定。窗口16與聚氨酯基泡沫12具有相同的材質(zhì)，優(yōu)選由固體樹(shù)脂等制成。這是因?yàn)楫?dāng)窗口16由與構(gòu)成研磨墊10的研磨表面10a的聚氨酯基泡沫12同樣的材料制成時(shí)，窗口16能與通過(guò)反應(yīng)注模法形成的聚氨酯基泡沫12相適合，從而有可能防止研磨時(shí)窗口16從研磨墊10上分離。
如圖2所示，配有窗口16的研磨墊10可以配有研磨平臺(tái)來(lái)進(jìn)行研磨，這種平臺(tái)包括所需要的發(fā)光部分和感光部分，同時(shí)確定被平整的物體的研磨表面是怎樣被研磨的。這使得研磨所要求的工作邊最小，從而有可能實(shí)現(xiàn)研磨時(shí)間的減少和進(jìn)行有效的研磨。
研磨墊10的研磨面10a配有格狀排放槽18，該槽有預(yù)定的深度，通過(guò)排放槽，研磨漿料和研磨期間由被研磨的物體產(chǎn)生的所謂研磨廢物被有效地排出系統(tǒng)。排放槽18的最佳深度值取決于被平整的物體的材料或研磨速率，但是通常預(yù)定范圍為約0.1至0.5mm。排放槽18的形狀模式除了上述的格形外，可以使用與研磨墊10同心的圓形，螺旋形或放射形，或一些具有預(yù)定直徑的孔。然而，本發(fā)明并不局限于這些形狀。只要上述研磨廢物能夠通過(guò)諸如伴隨著研磨期間研磨墊10的研磨的旋轉(zhuǎn)被有效地排放，那么排放槽18可以是任何形狀。
為了便于理解下面對(duì)通過(guò)反應(yīng)注模法生產(chǎn)研磨墊10的制造裝置的描述，下文將對(duì)制造由聚氨酯基泡沫制成的研磨墊10的裝置和反應(yīng)注模法概括描述。
如圖3所示，制造裝置50包括第一原材料罐52，用于儲(chǔ)存多羥基化合物(多胺)組分；第二原材料罐54，用于儲(chǔ)存異氰酸酯組分；一個(gè)混料頭56和一個(gè)反應(yīng)注射模型58。第一原材料罐52和第二原材料罐54用進(jìn)料管61和62分別連在混料頭56上。第一、第二原材料罐52和54分別配有混合器52a和54a，以便儲(chǔ)存在原材料罐52和54中的各種原材料在控制下進(jìn)行攪拌。從第一和第二原材料罐52和54到混料頭56的路線上都配有設(shè)備S1，設(shè)備S1包括濾網(wǎng)，進(jìn)料泵例如計(jì)量泵和高壓過(guò)濾器等等。
混料頭56以及原材料罐52和54也與回管63和64相互連接，通過(guò)回管，各種沒(méi)有注射的剩余原材料被分別返回到原材料罐52和54。多羥基化合物組分和異氰酸酯組分在從大約0.1到50Mpa的恒定的壓力下，通過(guò)混料頭56分別從第一和第二原材料罐52和54循環(huán)返回到第一和第二原材料罐52和54。從混料頭56到第一和第二原材料罐52和54的回管63和64，分別配有設(shè)備S2，必要時(shí)該設(shè)備包括熱交換器。
參照通過(guò)制造裝置50來(lái)制造聚氨酯基泡沫的步驟說(shuō)明反應(yīng)注模法，第一和第二原材料罐52和54的內(nèi)部被惰性氣體如干燥的空氣或氮?dú)鈮嚎s至從0.1到50Mpa的恒定壓力，此時(shí)進(jìn)料泵不會(huì)出現(xiàn)故障。利用攪拌器52a和54a，分別以恒定的速率攪拌原材料罐52和54內(nèi)的各種原材料，以便能夠保持預(yù)定的溫度。原材料罐52和54的上層部分也各自被惰性氣體覆蓋。在這種設(shè)置中，當(dāng)各種原材料由于攪拌器52a和54a的攪拌而進(jìn)行對(duì)流時(shí)，所產(chǎn)生的氣泡會(huì)使惰性氣體以預(yù)定的量溶解在原材料中。實(shí)際上，惰性氣體溶解在多羥基化合物組分和異氰酸酯組分中是沒(méi)有必要的。預(yù)定的輔助原材料例如催化劑，增鏈劑和/或交聯(lián)劑可以加入到在混合物中有較高化學(xué)穩(wěn)定性的多羥基化合物組分中。然后惰性氣體溶解在混合物中，生產(chǎn)溶解有氣體的原材料。
本發(fā)明中使用的稱為“聚氨酯基泡沫”的術(shù)語(yǔ)“聚氨酯” 的意思是聚合物的一般術(shù)語(yǔ)，這種聚合物具有尿烷(脲)鍵，通過(guò)有機(jī)異氰酸酯和活潑氫化合物的加聚反應(yīng)生成。實(shí)際被應(yīng)用的聚氨酯通過(guò)適當(dāng)?shù)氐膶⑸鲜鲚o助原材料加入到作為基料的異氰酸酯和多羥基化合物中來(lái)合成?；虾洼o助原材料可以適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合而獲得具有各種物理性質(zhì)的聚合物?？梢允褂肅O2作為惰性氣體，該氣體顯示出較高的擴(kuò)散系數(shù)。除了CO2外，還可以使用任何可應(yīng)用的、不影響合成聚氨酯的加聚反應(yīng)的惰性氣體，例如N2，Ar和干燥的空氣(通常并不使用高濕度空氣，因?yàn)槿绻褂酶邼穸鹊目諝猓乃謺?huì)跟異氰酸酯反應(yīng)生成影響泡沫發(fā)泡狀態(tài)的氣體)。
使用聚醚多醇、聚酯多醇、聚碳酸酯多醇或聚二烯基多醇作為多羥基化合物組分。這些多羥基化合物可單獨(dú)使用，或者其中兩種或多種組合使用。作為多胺組分，優(yōu)選使用任何通過(guò)由氨基取代多羥基化合物中的羥基所獲得的物質(zhì)。
可用做異氰酸酯組分的有甲苯二異氰酸酯(TDI)，TDI預(yù)聚物，亞甲基二苯基二異氰酸酯(MDI)，粗MDI，聚合MDI，脲二酮(urethodione)改性的MDI，碳二亞胺改性的MDI等。這些異氰酸酯酯組分可以預(yù)聚物的形式使用。本發(fā)明中使用的材料并不局限于這里所描述的各種材料。
隨后，這兩種原材料在混料頭56中碰撞混合，然后被注入一個(gè)反應(yīng)注射模型58內(nèi)，該模型包括一個(gè)空腔58a，其形狀和即刻將被制造的研磨墊10的外型相一致，其內(nèi)壓被設(shè)定為預(yù)定時(shí)間段的預(yù)定值。以這種方式，來(lái)進(jìn)行各種被如此混合的原材料的反應(yīng)和固化。同時(shí)，溶解在混合物中的惰性氣體被釋放。惰性氣體產(chǎn)生的膨脹引起混合物發(fā)泡，從而形成泡沫，泡沫的形狀和空腔58a的外型相一致。因此，在反應(yīng)注射模型58內(nèi)的適當(dāng)?shù)奈恢蒙?，通過(guò)預(yù)先布置相應(yīng)的構(gòu)件，緩沖墊14和窗口16很容易被安裝或形成。通過(guò)按照空腔58a的形狀成型空腔58a，排放槽18可以很容易地形成。
通過(guò)在從氣體的飽和壓力到較低或較高的壓力的條件下將惰性氣體注入到反應(yīng)注射模型58中，從而壓力改變的行為，例如壓力降低導(dǎo)致惰性氣體釋放到混合物中，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)泡。在這個(gè)過(guò)程中，惰性氣體的釋放不管發(fā)生在什么位置，只要它發(fā)生在溶解有惰性氣體的同一平衡體系的原材料的混合物中，都以相同的概率發(fā)生。進(jìn)而，被釋放的惰性氣體的膨脹在系統(tǒng)中的任何地方以基本一致的速率發(fā)生。因此惰性氣體可以被釋放，不會(huì)引起從一個(gè)位置到另一個(gè)位置的任何不均勻，即，是均一地和隨機(jī)地。進(jìn)而，具有基本相同直徑的氣室形成。此外，因?yàn)槎栊詺怏w釋放發(fā)生在在同一平衡體系內(nèi)，所產(chǎn)生的氣室基本上為球體形狀，這種性狀具有使泡沫壓力均勻的作用。
氣室的膨脹本質(zhì)上由原材料混合物發(fā)生反應(yīng)和固化的速率決定。這證明了可以控制反應(yīng)速率以控制氣室的膨脹度，即，氣室直徑。當(dāng)使用上述的反應(yīng)注模法時(shí)，已經(jīng)混合的兩相原材料可以立即以較高的速率注入到模型58中而發(fā)生反應(yīng)和固化。因此，不能通過(guò)其它成型方法來(lái)成型的原材料的組分，在這里可以被應(yīng)用。而且，較小氣室直徑的泡沫也可以生產(chǎn)。
上述的反應(yīng)注模法是一種生產(chǎn)方法，這種方法迄今已經(jīng)被用做汽車(chē)內(nèi)外零件的成型方法。作為發(fā)泡方法，除了上述包括利用惰性氣體的溶解的方法外，可適當(dāng)使用一種所謂的物理發(fā)泡方法，該方法包括蒸發(fā)未固化的液體反應(yīng)混合物中的低溫?fù)]發(fā)液體，如低分子量的氯氟烴，二氯甲烷和戊烷，形成氣室；一種所謂的化學(xué)發(fā)泡方法，該方法包括將水作為發(fā)泡劑加入到多羥基化合物組分中，將混合物與異氰酸酯組分混合，然后與異氰酸酯反應(yīng)從而釋放二氧化碳作為發(fā)泡氣體，形成氣室；或所謂的機(jī)械發(fā)泡方法，該方法包括將惰性氣體吹入反應(yīng)混合物或兩種原材料之一中，然后在攪拌過(guò)程中剪切原材料形成氣室。然而，由于這些發(fā)泡方法產(chǎn)生具有不均一的分散性或直徑的氣室，所以在選擇這些發(fā)泡方法時(shí)一定要注意。
通常，通過(guò)反應(yīng)注模法得到的泡沫有一個(gè)被稱作皮膚層的高密度層，該皮膚層在其表面上形成，厚度幾微米。這個(gè)皮膚層在研磨墊的預(yù)備過(guò)程中即使用前的準(zhǔn)備(試車(chē))時(shí)很容易被脫除，因此特別是對(duì)研磨墊的使用用途來(lái)說(shuō)，不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。進(jìn)一步涉及到一種方法，該方法包括為了增強(qiáng)惰性氣體的溶解速率和大量增加氣體的飽和濃度，而使用超臨界液體。
如圖4所示，說(shuō)明放大規(guī)模的研磨墊10的研磨面10a，通過(guò)上述的行為由釋放的惰性氣體所產(chǎn)生的具有相同直徑的大量氣室20，均勻地分散在其中，氣室20的直徑受到后面所描述的注模條件的影響，這些條件即，反應(yīng)注射模型內(nèi)的壓力，氣體飽和壓力(原材料罐中的壓力)，固化條件(溫度，時(shí)間)，凝膠化時(shí)間，即原材料被注入點(diǎn)和注模過(guò)程中原材料固化點(diǎn)之間的時(shí)間。
氣室的直徑隨模型等內(nèi)的壓力增加反比例降低，在固化溫度降低條件下隨凝膠化時(shí)間增加成比例升高。模型內(nèi)的壓力和固化溫度可以適當(dāng)?shù)仡A(yù)定。凝膠化時(shí)間可以通過(guò)調(diào)節(jié)原材料與催化劑等的反應(yīng)性來(lái)任意地控制。氣室直徑可以由后面所描述的所得泡沫的體積密度來(lái)控制。氣室直徑還可以通過(guò)提高原材料的粘度來(lái)控制。然而，這個(gè)方法可能會(huì)使混合的完成、模型的流度等變差，因此不優(yōu)選使用。
氣室的平均直徑預(yù)定范圍從1到50μm之間，優(yōu)選從15到30μm之間。特別地，當(dāng)氣室直徑大約30μm時(shí)，研磨表面10a的氣室的深度減小，使減少調(diào)節(jié)(整理)量成為可能。整理的簡(jiǎn)化防止了研磨墊的摩損，從而產(chǎn)生延長(zhǎng)研磨墊10壽命的效果。
當(dāng)氣室的平均直徑低于1μm時(shí)，所得的研磨墊10相對(duì)容易發(fā)生邊緣粗糙或研磨廢物等堵塞氣室的不利情況。這種研磨墊不能進(jìn)行穩(wěn)定的研磨，因此必須經(jīng)常地整理。相反，當(dāng)氣室的平均直徑超過(guò)50μm時(shí)，所得的研磨墊易于產(chǎn)生氣室直徑的離差。這種研磨墊更加不均勻地保持漿料，因此不能表現(xiàn)穩(wěn)定的質(zhì)量。進(jìn)而，當(dāng)氣室直徑的離差顯著時(shí)，所得的研磨墊10易于產(chǎn)生部分密度差，有可能妨礙研磨狀態(tài)。
根據(jù)上面的描述，上述的體積(表觀)密度影響氣室的直徑，但更影響研磨速率。換句話說(shuō)，如圖5所示，當(dāng)氣室直徑相同時(shí)，在研磨面10a上，密度的差異會(huì)引起平坦的部分(能夠研磨的部分)與氣室部分(能夠保持漿料和研磨廢物的部分)的比例的變化。為了獲得體積密度從0.6到1.0g/cm3的泡沫，優(yōu)選從0.7到1.0g/cm3，通過(guò)反應(yīng)注模法，反應(yīng)注模法通常包括使用含有上述的溶解在其中的惰性氣體的原材料組成的溶解有氣體的混合物，體積密度很容易通過(guò)改變?cè)牧匣旌衔镒⑷敕磻?yīng)注射模型58的速率即注射時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)。另外，溶解在原材料的惰性氣體的量可以被調(diào)節(jié)。
當(dāng)體積密度小于0.6g/cm3時(shí)，研磨表面10a中微細(xì)氣室的比率，例如，氣室部分(能夠保持漿料和研磨廢物的部分)的比率增加，而平坦部分(可研磨的部分)的比率降低，即使后面所描述的硬度是充分的(見(jiàn)圖5A)。因此，漿料存在于研磨表面10a的平坦部分上以研磨待研磨表面的時(shí)間減少(見(jiàn)圖5B)，使研磨速率下降。相反，當(dāng)體積密度超過(guò)1.0g/cm3時(shí)，研磨面10a變得幾乎平整(見(jiàn)圖5C)。因此，泡沫具有顯著弱化的保持漿料的能力(見(jiàn)圖5D)，從而不可能有效地消耗漿料，由此增加研磨的操作成本。進(jìn)而，研磨墊10的研磨面10a上的漿料的干燥引起研磨劑粒子的結(jié)塊，能夠引起刮傷。
考慮到研磨特性，構(gòu)成研磨墊10的聚氨酯基泡沫12的硬度是重要的指標(biāo)之一。本發(fā)明中，聚氨酯基泡沫12的ASTM D2240所規(guī)定的肖氏D硬度的預(yù)定范圍是40到80，優(yōu)選從55到75。當(dāng)聚氨酯基泡沫12的肖氏D硬度低于40時(shí)，該材料太軟，適合于被平整的物體如晶片的粗糙的表面，這對(duì)于研磨墊來(lái)說(shuō)，從凸段開(kāi)始進(jìn)行積極式研磨是不可能的。這需要很大的工作邊，增加廢物量。相反，當(dāng)聚氨酯基泡沫12的肖氏D硬度超過(guò)80時(shí)，研磨時(shí)刮擦研磨墊10所產(chǎn)生的研磨墊10的小片導(dǎo)致被研磨物體的表面擦傷。因此，不發(fā)生刮傷且能很好地消除有臺(tái)階的表面的研磨墊，其肖氏D硬度優(yōu)選為從55到75。
通過(guò)層壓比構(gòu)成研磨面10a的聚氨酯基泡沫12軟的材料，例如上述緩沖墊14，被平整的物體的均一性可以增強(qiáng)。具有如上規(guī)定的從55到75之間的肖氏D硬度的研磨墊，在防止結(jié)構(gòu)工作缺陷方面是有利的，這些工作缺陷如常規(guī)的金屬CMP法所產(chǎn)生的凹陷或腐蝕。
聚氨酯基泡沫12的肖氏D硬度通常隨著上述多羥基化合物等組分的總OH值(以混合比率混合的單一原材料的OH值的總和)增加而增加。這是因?yàn)楫?dāng)構(gòu)成聚氨酯基泡沫12的硬段(有機(jī)異氰酸酯，增鏈劑或交聯(lián)劑)被選擇且增加用量時(shí)，構(gòu)成泡沫12的聚合物變的更硬。例如，通過(guò)異氰酸酯指數(shù)(由異氰酸酯/羥基或氨基表示的比例，下文僅稱“指數(shù)”)，聚氨酯基泡沫12的肖氏D硬度很容易被控制。
使用具有上述物理性質(zhì)的聚氨酯基泡沫12使獲得能夠很好地消除有臺(tái)階的表面和表現(xiàn)出增強(qiáng)的研磨速率的研磨墊10成為可能。由于硬度的改變(依賴于聚氨酯基泡沫12隨溫度變化而產(chǎn)生的粘彈性變化)產(chǎn)生的研磨速率的不穩(wěn)定性可以通過(guò)使用一種材料避免，該材料是作為上述輔助原材料之一的交聯(lián)劑，成為具有高粘合力的可聚合硬段，如芳香二胺。
通常，粘彈性的變化可以通過(guò)動(dòng)態(tài)粘彈性來(lái)評(píng)價(jià)，動(dòng)態(tài)粘彈性是當(dāng)階段性變化的應(yīng)變或應(yīng)力施加到物體上時(shí)觀察到的粘彈性。詳細(xì)地說(shuō)，使用三個(gè)因子，即，貯能模量(G′)，損耗模量(G″)和從兩個(gè)彈性模量計(jì)算得到的tanδ(＝G″/G′)。在本發(fā)明中，上述貯能模量(材料的彈性因子)和tanδ(代表彈性因子和粘度因子的對(duì)比)，被用來(lái)預(yù)定10℃～90℃溫度下，貯能模量和tanδ的變化范圍，即，最大值與最小值的比率不大于3，也就是預(yù)定這些因子的最大值不超過(guò)它們的最小值的三倍。這可以通過(guò)將芳香二元胺等以任意量加入到上述交聯(lián)劑或主要原材料中來(lái)實(shí)現(xiàn)。
加入上述交聯(lián)劑具有改善上述貯能模量和tanδ以及硬度的作用。因此，一定要充分考慮交聯(lián)劑的加入量。
如上所述，在通過(guò)反應(yīng)注模法使溶解有惰性氣體的聚氨酯基原材料成型來(lái)生產(chǎn)本發(fā)明的研磨墊的同時(shí)，任意地控制物理性質(zhì)例如硬度，氣室直徑和濃度，由此可以提供能經(jīng)受研磨條件的變化，獲得優(yōu)良的研磨速率、臺(tái)階消除能力和均一性的適合用作研磨墊的聚氨酯基泡沫。此外，通過(guò)將諸如芳香二元胺等的物質(zhì)加入到以聚氨酯為基料的原材料中，可以取得防止粘彈性隨溫度變化的效果。
按照實(shí)施例1至7和對(duì)比實(shí)施例1到3的研磨墊通過(guò)反應(yīng)注模法來(lái)制備，其中發(fā)泡條件，成型條件和異氰酸酯指數(shù)、交聯(lián)劑的組成等是變化的。按照本發(fā)明的研磨墊不限于下面的實(shí)施例。(實(shí)驗(yàn)條件)使用以下的原材料來(lái)制備厚度1.27mm、并具有2mm寬、槽寬15mm和深0.6mm的格形槽的研磨墊。然后測(cè)量這樣所制備的研磨墊的各種性質(zhì)。(應(yīng)用的原材料)*多羥基化合物商品名SBU多羥基化合物M-372(172 KOHmg/g)，由SUMITOMO BAYER URETHANE CO.，LTD生產(chǎn)。
*異氰酸酯商品名SBU異氰酸酯M-390(NCO％＝23.0％)，由SUMITOMO BAYER URETHANE CO.，LTD生產(chǎn)。
*催化劑商品名DABCO 33LV，由SANKYO AIR PRODUCTSCO.，LTD生產(chǎn)。
*交聯(lián)劑A商品名交聯(lián)劑0644(630KOHmg/g)，由SUMITOMOBAYER URETHANE CO.，LTD生產(chǎn)。
*交聯(lián)劑B商品名Sumifen VB(630KOHmg/g)，由SUMITOMOBAYER URETHANE CO.，LTD生產(chǎn)。(組成和各種條件)組成和各種條件在表1中給出。
表1

*催化劑，交聯(lián)劑A和B以及水，作為輔助原材料，其單位是重量份。
*在實(shí)施例5中，原材料含有水，引起化學(xué)發(fā)泡。換句話說(shuō)，氣室是通過(guò)化學(xué)發(fā)泡法形成的。(被評(píng)價(jià)的性質(zhì)和評(píng)價(jià)方法)(1)物理性質(zhì)A密度按照J(rèn)IS K6401來(lái)測(cè)量。
B硬度使用ASTM D2240規(guī)定的肖氏D硬度計(jì)，在溫度22℃和相對(duì)濕度55％的條件下測(cè)量。
C平均氣室直徑從在掃描電鏡的照片(SEM)中10mm2的5個(gè)點(diǎn)中選擇具有最大開(kāi)口的五個(gè)氣室(由于氣室是球形的，所以在不同部分有不同的孔徑。假定它們以真球形的形式，氣室開(kāi)口的最大距離被定義為球形氣室的開(kāi)口直徑)。
D，E貯能模量和tanδ的最大值/最小值這些性質(zhì)利用動(dòng)態(tài)粘彈計(jì)(由Rheometric Scientific F.E.Ltd.生產(chǎn))來(lái)測(cè)量。對(duì)于測(cè)量，使用一種方法，包括應(yīng)用小的正弦應(yīng)變，再測(cè)量粘性組分和彈性組分響應(yīng)值的差。這種測(cè)量是在10℃到90℃的溫度范圍以及1Hz頻率條件下，以拉伸模式收集數(shù)據(jù)而實(shí)現(xiàn)的。這樣所收集的數(shù)據(jù)的最大值除以同樣所收集的數(shù)據(jù)的最小值，獲得被評(píng)價(jià)的數(shù)值。上述溫度范圍(10℃到90℃)是考慮到研磨過(guò)程中使用的漿料的條件而預(yù)定的。
(2)研磨特性的評(píng)價(jià)作為研磨機(jī)，使用一種簡(jiǎn)單的CMP裝置(平臺(tái)直徑500mm)，帶有6英寸規(guī)格的一個(gè)平臺(tái)和一個(gè)頭部。在下列條件下，對(duì)于每項(xiàng)特性，分別研磨最佳的被平整物體，以確定F(研磨速率)，G(臺(tái)階消除能力)，H(刮擦性)，I(均一性)和J(由這些因素所得的對(duì)研磨墊的綜合評(píng)價(jià))。研磨速率F用數(shù)值評(píng)價(jià)。刮擦性H是按照兩步標(biāo)準(zhǔn)(OK和NG)來(lái)評(píng)價(jià)的。臺(tái)階消除能力G和均一性I按照4步標(biāo)準(zhǔn)(E優(yōu)秀；G好；F稍差；P差)來(lái)評(píng)價(jià)。綜合評(píng)價(jià)J按照三步標(biāo)準(zhǔn)(G適合使用；F可用；P不可用)來(lái)評(píng)價(jià)。
*條件平臺(tái)和頭部的旋轉(zhuǎn)速度100轉(zhuǎn)/分研磨壓力34Kpa研磨劑用于氧化物CMP的通用SiO2漿料研磨劑的流量150ml/min作為參考，一種在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上用作CMP的研磨墊(商品名IC-1000，由Rodel Nitta Company生產(chǎn))，以上述同樣的方式被評(píng)價(jià)。(結(jié)果)結(jié)果在下面的表2中列出。換句話說(shuō)，通過(guò)綜合評(píng)價(jià)，按照本發(fā)明的所有研磨墊(實(shí)施例1到7)被確定可用于半導(dǎo)體晶片等各種半導(dǎo)體材料的研磨。特別地，本發(fā)明的實(shí)施例1和2的研磨墊，不僅被確定不亞于參考研磨墊，而且還表現(xiàn)出比參考研磨墊更好的臺(tái)階消除能力。
表2

關(guān)于溫度依賴性，貯能模量的最大值和最小值的比值小的結(jié)果的研磨墊不管溫度如何，即使在溫度升高時(shí)，都保持它的剛性。此外，在各種指示材料轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度下，tanδ的最大值和最小值的比值(變化幅度)越小，即，以溫度作為橫坐標(biāo)的tanδ曲線的峰越寬，則材料的相對(duì)模量變化就越小。因此，所有這些材料都適合用于研磨墊。
盡管參照具體的實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，很顯然對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以作出各種變化和更改。
該申請(qǐng)是建立在2001年8月24日提交的日本專利申請(qǐng)?zhí)?001-254971基礎(chǔ)上的，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種研磨墊，由具有所需形狀的聚氨酯基泡沫(12)構(gòu)成，所述的泡沫通過(guò)一種方法獲得，該方法包括將作為主要原材料的聚氨酯或聚脲與各種輔助原材料混合，在壓力下將惰性氣體溶解在混合物中獲得溶解有氣體的原材料，然后再將溶解有氣體的原材料通過(guò)反應(yīng)注模法注射到反應(yīng)注射模型(58)中，通過(guò)在注射模型(58)中的反應(yīng)而獲得所述的泡沫，其中聚氨酯基泡沫(12)具有微細(xì)和均一的氣室(20)，適合于半導(dǎo)體材料等的研磨。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的研磨墊，其中氣室(20)的平均直徑的預(yù)定范圍是從1μm到50μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的研磨墊，其中氣室(20)的平均直徑的預(yù)定范圍是從15μm到30μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的研磨墊，其中聚氨酯基泡沫(12)的體積密度的預(yù)定范圍是從0.6到1.0g/cm3。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的研磨墊，其中聚氨酯基泡沫(12)的體積密度的預(yù)定范圍是從0.7到1.0g/cm3。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的研磨墊，其中聚氨酯基泡沫(12)的按照ASTM D2240所規(guī)定的肖氏D硬度的預(yù)定范圍是從40到80。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的研磨墊，其中聚氨酯基泡沫(12)的按照ASTM D2240所規(guī)定的肖氏D硬度的預(yù)定范圍是從55到75。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的研磨墊，其中芳香二胺被用作輔助原材料之一以改善所得泡沫的結(jié)晶性，以便在10℃到90℃的溫度下貯能模量的最大值和tanδ的最大值在它們的最小值的3倍以內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的研磨墊，其中反應(yīng)注射模型(58)具有預(yù)定的圖案，以便這種圖案被轉(zhuǎn)移到聚氨酯基泡沫(12)的表面。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的研磨墊，其中惰性氣體選自干燥的空氣，干燥的氮?dú)?，CO2和Ar。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的研磨墊，其中惰性氣體在從0.1到50Mpa的壓力下溶解在混合物中。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的研磨墊，其中輔助原材料選自催化劑，增鏈劑和交聯(lián)劑。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高質(zhì)量的研磨墊，它適合于半導(dǎo)體晶片等物體的化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)，該研磨墊不受研磨過(guò)程中研磨條件改變的影響，能夠獲得優(yōu)良的研磨速率、臺(tái)階消除能力和均一性，其中使用了一種聚氨酯基泡沫(12)，該泡沫具有微細(xì)和均一的氣室(20)，適合于半導(dǎo)體等材料的研磨，該泡沫通過(guò)使溶解有氣體的原材料成型來(lái)獲得，這種溶解有氣體的原材料是通過(guò)在壓力條件下，將惰性氣體溶解在作為主要原材料和各種輔助原材料的聚氨酯或聚脲的混合物中而獲得的。
文檔編號(hào)B24B37/26GK1407606SQ0213015
公開(kāi)日2003年4月2日 申請(qǐng)日期2002年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月24日
發(fā)明者日紫喜誠(chéng)吾 申請(qǐng)人:株式會(huì)社羅捷士井上